Система и способ рекуперации отходящего тепла с простым циклом
Энергетическая система содержит контур (2) с рабочей текучей средой, имеющий сторону (2А) высокого давления и сторону (2В) низкого давления и выполненный с возможностью протекания по нему рабочей текучей среды. Контур (2) рабочей текучей среды содержит нагреватель (7), выполненный с возможностью циркуляции рабочей текучей среды с возможностью теплообмена между ней и горячей текучей средой для испарения рабочей текучей среды. Система дополнительно содержит последовательно расположенные первый детандер (9) и второй детандер (11), проточно соединенные с контуром рабочей текучей среды и расположенные между его стороной высокого давления и стороной низкого давления. Один из детандеров приводит в действие нагрузку (37), а второй детандер приводит в действие насос или компрессор (33), проточно соединенный с контуром (2) рабочей текучей среды между его стороной (2В) низкого давления и стороной (2А) высокого давления. Также предусмотрен охладитель (29), выполненный с возможностью отведения тепла от рабочей текучей среды на стороне (2В) низкого давления контура (2) с рабочей текучей средой. Позволяет простым, быстрым и удобным способом регулировать промежуточное давление (то есть давление текучей среды на выходе из первого детандера и, соответственно, на входе во второй детандер) для обеспечения наилучшей эффективности преобразования тепловой энергии отходящего тепла в полезную механическую или электрическую энергию. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к системам преобразования энергии. Некоторые варианты выполнения, раскрытые в настоящем документе, имеют отношение к системам преобразования энергии, использующим низкотемпературный термодинамический цикл, например, цикл Ренкина или цикл Брайтона, для рекуперации отходящего тепла от верхнего, высокотемпературного термодинамического цикла.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Отходящее тепло обычно образуется как побочный продукт производственных процессов, в которых необходимо осуществить отвод тепла из протекающих потоков высокотемпературных текучих сред.
Типичными производственными процессами, в ходе которых обычно образуется отходящее тепло, являются газовые турбины для механического привода, а также установки для производства электроэнергии, газовые двигатели и камеры сгорания. В ходе этих процессов газообразные продукты сгорания обычно выпускаются в атмосферу при температурах, значительно превышающих температуру окружающей среды. Газообразные продукты сгорания содержат отходящее тепло, которое может быть эффективно использовано, например, для выработки дополнительной механической энергии в нижнем низкотемпературном термодинамическом цикле. Отходящее тепло газообразных продуктов сгорания передает тепловую энергию нижнему низкотемпературному термодинамическому циклу, в котором текучая среда выполняет циклические термодинамические преобразования, осуществляя теплообмен с окружающей средой при более низкой температуре.
Отходящее тепло может быть преобразовано в полезную энергию с помощью различных систем тепловых двигателей, использующих термодинамические циклы, например, паровые циклы Ренкина, органические циклы Ренкина или Брайтона, циклы на CO2 или другие энергетические циклы. Циклы Ренкина, Брайтона и аналогичные термодинамические циклы обычно представляют собой процессы с водяным паром, в ходе которых регенерируется и используется отходящее тепло с целью получения водяного пара / пара для приведения в действие турбины, турбодетандера или т.п. Давление и тепловая энергия водяного пара или пара частично преобразуются в механическую энергию в турбодетандере, турбине или другой машине для преобразования энергии и, наконец, используются для приведения в действие нагрузки, например, электрогенератора, насоса, компрессора или другого приводимого в действие устройства или оборудования.
Преобразование отходящего тепла в полезную механическую энергию может значительно повысить общий КПД системы преобразования энергии, способствуя, тем самым, сокращению расхода топлива и снижению экологического воздействия процессом преобразования энергии на окружающую среду.
Таким образом, целесообразно использовать высокоэффективные способы и системы для преобразования тепловой энергии в полезную механическую или электрическую энергию.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В вариантах выполнения изобретения в целом предложена энергетическая система, содержащая контур с рабочей текучей средой, имеющий сторону высокого давления и сторону низкого давления и выполненный с возможностью протекания по нему рабочей текучей среды. Энергетическая система может дополнительно содержать нагреватель, работающий по принципу теплообмена между циркулирующей в нем рабочей средой и теплоносителем, для испарения рабочей текучей среды. В некоторых вариантах выполнения энергетическая система также содержит последовательно расположенные первый детандер и второй детандер, гидравлически соединенные с контуром рабочей текучей среды, расположенные между его стороной высокого давления и стороной низкого давления и выполненные с возможностью расширения проходящей через них рабочей текучей среды и производя, тем самым, механическую энергию. Приводной вал может быть соединен с возможностью передачи приводного усилия с одним из указанных детандеров, первым или вторым, и выполнен с возможностью приведения в действие нагрузки, например, турбомашины или электрогенератора, с помощью механической энергии, производимой указанным детандером.
В вариантах выполнения, описанных в настоящем документе, с указанным контуром рабочей текучей среды между его стороной низкого давления и стороной высокого давления гидравлически соединен насос или компрессор, выполненный с возможностью повышения давления рабочей текучей среды в этом контуре и соединенный с возможностью передачи приводного усилия с другим из указанных детандеров, вторым или первым, то есть с тем, который не соединен с нагрузкой, и приводимый тем самым в действие. Таким образом, последовательно расположенные первый и второй детандеры используются для выборочного приведения в действие насоса или компрессора с целью повышения давления рабочей текучей среды, а также нагрузки. Часть энергии, образованной за счет расширения рабочей текучей среды в одном детандере, приводит в действие насос или компрессор, а часть энергии, образованной путем расширения рабочей текучей среды в другом детандере, обеспечивает полезную энергию.
Энергетическая система может дополнительно содержать охладитель, проточно соединенный со стороной низкого давления контура рабочей текучей среды и находящийся с ней в тепловом контакте и установленный и выполненный с возможностью отведения тепла от рабочей текучей среды на стороне низкого давления контура рабочей текучей среды.
В соответствии с раскрытыми в настоящем документе вариантами выполнения, система может дополнительно содержать регулирующий клапан, расположенный в контуре рабочей текучей среды между первым детандером и вторым детандером. Регулирующий клапан выполнен с возможностью регулирования противодавления первого детандера, то есть с возможностью установки значения промежуточного давления между первым детандером и вторым детандером, например, для регулирования перепада давления рабочей текучей среды в первом и втором детандерах.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, параллельно одному из детандеров, первому или второму, может быть расположен байпасный клапан. Более конкретно, байпасный клапан может быть расположен параллельно детандеру, соединенному с нагрузкой с возможностью передачи приводного усилия. Если получаемого отходящего тепла недостаточно, то детандер можно, таким образом, обойти, при этом доступный перепад давления между стороной высокого давления и стороной низкого давления контура используется затем для приведения в действие насоса или компрессора.
В соответствии с еще одним аспектом, в настоящем документе предложен способ получения полезной энергии от тепла, обеспечиваемого источником тепла, в частности, например, источником отходящего тепла, который включает следующие этапы:
обеспечение циркуляции потока рабочей текучей среды с использованием насоса или компрессора в контуре рабочей текучей среды, имеющем сторону высокого давления и сторону низкого давления, причем сторона высокого давления участвует в теплообмене с источником тепла, а сторона низкого давления участвует в теплообмене с охладителем;
передачу тепловой энергии из источника тепла в рабочую среду;
расширение потока рабочей текучей среды, протекающего через первый детандер, от высокого давления до промежуточного давления, преобразование энергии перепада первого давления в механическую энергию, и расширение потока рабочей текучей среды, протекающего через второй детандер, от промежуточного давления до низкого давления, преобразование энергии перепада второго давления в механическую энергию, при этом первый детандер и второй детандер расположены последовательно один за другим и проточно соединены с контуром рабочей текучей среды между стороной высокого давления и стороной низкого давления;
отведение остаточного низкотемпературного тепла от потока рабочей текучей среды через охладитель;
приведение в действие приводимого в действие устройства с помощью механической энергии, создаваемой одним из указанных детандеров, первым или вторым, и приведение в действие насоса или компрессора с помощью механической энергии, создаваемой другим из указанных детандеров, вторым или первым.
Признаки и варианты выполнения раскрыты в настоящем документе ниже и дополнительно изложены в прилагаемой формуле изобретения, которая составляет неотъемлемую часть настоящего описания. В вышеприведенной сущности изобретения изложены признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретения для того, чтобы можно было лучше понять последующее подробное описание, и чтобы предлагаемые усовершенствования существующего уровня техники могли быть более понятны. Несомненно, имеются и другие признаки настоящего изобретения, которые будут описаны ниже и которые будут изложены в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим, перед тем, как подробно объяснить несколько вариантов выполнения изобретения, следует понимать, что различные варианты выполнения не ограничены в своих применениях особенностями конструкции и расположениями элементов, изложенными в последующем описании или проиллюстрированными на чертежах. Настоящее изобретение допускает другие варианты выполнения и применения на практике и осуществляется различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в настоящем документе, предназначены для описания и не должны рассматриваться как ограничивающие.
По существу, специалисты должны понимать, что идея, на которой основано изобретение, может быть легко использована в качестве основы для разработки других конструкций, способов и/или систем для осуществления нескольких целей настоящего изобретения. Важно, таким образом, чтобы формула изобретения рассматривалась как включающая такие эквивалентные конструкции в той степени, в которой они не отходят от сущности и объема настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полное понимание раскрытых вариантов выполнения настоящего изобретения и многие из его соответствующих преимуществ будут легко получены, поскольку они будут более понятными со ссылкой на последующее подробное описание, если его рассматривать совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 изображает схему варианта выполнения системы рекуперации отходящего тепла, выполненной в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 2 изображает схему дополнительного варианта выполнения предложенной системы рекуперации отходящего тепла.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Последующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одни и те же номера позиций на разных чертежах обозначают одни и те же или подобные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Последующее подробное описание не ограничивает изобретение, а его объем определяется прилагаемой формулой изобретения.
Ссылка во всем описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» или «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные вместе с вариантом выполнения, включены в по меньшей мере один вариант выполнения раскрытого изобретения. Таким образом, появление фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения» в различных местах во всем описании не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения (одним и тем же вариантам выполнения). Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или нескольких вариантах выполнения.
В последующем описании иллюстративных вариантов выполнения дана ссылка на комбинированный гибридный термодинамический цикл, содержащий верхний высокотемпературный термодинамический цикл, низкотемпературный источник которого обеспечивает отходящее тепло для нижнего низкотемпературного термодинамического цикла. При этом следует понимать, что в соответствии с другими вариантами выполнения система преобразования энергии, раскрытая в настоящем документе, может использоваться для применения тепловой энергии от других источников тепла при относительно низких температурах, например, отходящего тепла от других промышленных процессов, таких как геотермальные процессы.
Система преобразования выполнена таким образом, что механическая энергия, создаваемая двумя детандерами, расположенными последовательно между стороной высокого давления и стороной низкого давления контура рабочей текучей среды, производит механическую энергию для непосредственного приведения в действие насоса или компрессора, с целью увеличения давления рабочей текучей среды от низкого давления до высокого давления термодинамического цикла. Один из детандеров производит механическую энергию для насоса или компрессора, тогда как другой детандер производит дополнительную механическую энергию для приведения в действие нагрузки, такой как производственное оборудование, например, газовый компрессор или электрогенератор, для преобразования механической энергии в электроэнергию. В условиях установившегося режима рабочая текучая среда протекает через первый детандер и второй детандер, расположенные последовательно. Между первым детандером и вторым детандером может быть предусмотрен клапан, предназначенный для регулирования энергетического баланса между первым детандером и вторым детандером, как будет описано в настоящем документе более подробно ниже.
Фиг. 1 изображает схему комбинированной системы преобразования энергии, содержащей верхнюю высокотемпературную термодинамическую систему 1 и нижнюю низкотемпературную термодинамическую систему 2. Верхняя высокотемпературная термодинамическая система может содержать газотурбинный двигатель 3 и электрогенератор 5, приводимый в действие механической энергией, производимой двигателем 3 и доступной на его выходном приводном валу 3А. Газотурбинный двигатель 3 может содержать секцию 3 компрессора, секцию 6 камеры сгорания и секцию 8 турбины.
Нижняя низкотемпературная термодинамическая система 2 содержит контур рабочей текучей среды со стороной 2А высокого давления и стороной 2В низкого давления. Сторона высокого давления содержит теплообменник 7 для рекуперации отходящего тепла, который участвует в теплообмене с потоком газообразных продуктов сгорания из газотурбинного двигателя 1. Обмен теплом может быть осуществлен непосредственно в теплообменнике 7 для рекуперации отходящего тепла из газообразных продуктов сгорания в рабочую текучую среду, которая циркулирует в контуре нижней низкотемпературной термодинамической системы 2. В других вариантах выполнения может быть предусмотрен промежуточный теплообменный контур, в котором теплопередающая текучая среда, например, диатермическое масло или т.п., циркулирует для переноса тепла из первого теплообменника, участвующего в теплообмене с потоком газообразных продуктов сгорания, в теплообменник для рекуперации отходящего тепла.
В некоторых вариантах выполнения рабочая текучая среда, циркулирующая в нижней низкотемпературной термодинамической системе 2, может представлять собой двуокись углерода (CO2). Термодинамический цикл, выполняемый рабочей текучей средой, может быть сверхкритическим циклом, то есть рабочая текучая среда может находиться в сверхкритическом состоянии, по меньшей мере на одном участке термодинамической системы.
В иллюстративных вариантах выполнения, раскрытых в настоящем документе, между стороной 2А высокого давления и стороной 2В низкого давления контура низкотемпературной термодинамической системы 2 расположены первый детандер 9 и второй детандер 11. Один или оба детандера 9, 11 могут быть одноступенчатыми или многоступенчатыми. Например, детандеры 9, 11 могут быть многоступенчатыми детандерами с несколькими встроенными ступенями.
Первый детандер 9 и второй детандер 11 расположены последовательно, так что рабочая текучая среда протекает из теплообменника 7 для рекуперации отходящего тепла через первый детандер 9, и расширяется от первого давления до промежуточного давления, при этом по меньшей мере часть рабочей текучей среды при промежуточном давлении протекает из первого детандера 9 через второй детандер 11 и расширяется в нем от промежуточного давления до второго давления.
На Фиг. 1 первый детандер 9 соединен с выходом теплообменника 7 для рекуперации отходящего тепла посредством линии 13 и первого клапана 15. Линия 17 соединяет первый детандер 9 со вторым детандером 11, расположенным ниже по потоку. На линии 17 между первым детандером 9 и вторым детандером 11 может быть расположен клапан 19 регулирования противодавления. Клапан 19 регулирования противодавления может использоваться для регулирования промежуточного давления между первым детандером 9 и вторым детандером 11, например, для изменения перепада давления между двумя детандерами 9 и 11.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения байпасная линия 21 расположена параллельно второму детандеру 11. Байпасный клапан 23 может быть расположен вдоль байпасной линии 21. Как будет описано более подробно ниже, часть или весь поток рабочей текучей среды из первого детандера может быть направлен вдоль байпасной линии 21, а не подвергаться расширению во втором детандере 11.
Второй детандер 11 проточно соединен с горячей стороной рекуператора 25 тепла, выход которого проточно соединен с охладителем или конденсатором 29. Охладитель 29 участвует в теплообмене с охлаждающей текучей средой, например, воздухом или водой, как схематично показано номером позиции 31, для удаления тепла из рабочей текучей среды, протекающей через охладитель 29.
Рабочая текучая среда, циркулирующая в нижней низкотемпературной термодинамической системе 2, накачивается или сжимается со стороны 2В низкого давления к стороне 2А высокого давления с помощью устройства 33 обеспечения подпорного давления. Устройство 33 может представлять собой насос, например, турбонасос или компрессор, например, турбокомпрессор. Насос или компрессор 33 может быть соединен с возможностью передачи приводного усилия с выходным валом 9А первого детандера 9 таким образом, что механическая энергия, производимая расширением рабочей текучей среды в первом детандере 9, используется для вращения насоса или компрессора 33.
В иллюстративном варианте выполнения, показанном на чертежах, сторона 2В низкого давления низкотемпературной термодинамической системы представляет собой участок контура, расположенный между стороной высокого давления второго детандера 11 и стороной низкого давления насоса или компрессора 33. Сторона 2А высокого давления низкотемпературной термодинамической системы 2 представляет собой участок контура, расположенный между стороной высокого давления насоса или компрессора 33 и впускным отверстием первого детандера 9.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, нагрузка 35 может быть соединена с возможностью передачи приводного усилия с выходным приводным валом 11А второго детандера 11 и приводиться в движение с помощью механической энергии, производимой расширением рабочей текучей среды во втором детандере 11. В некоторых вариантах выполнения нагрузка может состоять из электрогенератора 37, который может быть электрически соединен с машиной, устройством или оборудованием для питания электроэнергией или с сетью G для распределения электроэнергии, как показано схематически на Фиг. 1. В некоторых вариантах выполнения между электрогенератором 37 и сетью G для распределения электроэнергии или машиной, приводимой в действие электрогенератором 37, может быть расположен частотно регулируемый привод 39.
Между выходным приводным валом 11А второго детандера 11 и электрогенератором 37 может быть расположен редуктор 41, механическая муфта с регулируемой частотой вращения или любое другое устройство управления скоростью.
Система, показанная на Фиг. 1, работает следующим образом. Отходящее тепло из верхней высокотемпературной системы 1 передается под давлением через теплообменник 7 для рекуперации отходящего тепла в протекающий через него поток рабочей текучей среды, например, в поток диоксида углерода. Горячая рабочая текучая среда под давлением протекает по линии 13 и через клапан 15 и частично расширяется в первом детандере 9. Клапан 19 на линии 17 может быть отрегулирован таким образом, чтобы установить необходимое противодавление за пределами первого детандера 9, то есть промежуточное давление между первым детандером 9 и вторым детандером 11. Перепад давления рабочей текучей среды через первый детандер 9 от первого давления на стороне высокого давления системы 2 до промежуточного давления, создает механическую энергию, которая приводит в действие насос или компрессор 33.
Частично расширенная рабочая текучая среда, выходящая из первого детандера 9, протекает через второй детандер 11 и расширяется от промежуточного давления до низкого давления на стороне низкого давления энергетической системы 2. Перепад давления создает механическую энергию, которая преобразуется в электрическую энергию с помощью генератора 37.
Отработавшая рабочая текучая среда из второго детандера 11 протекает по линии 24, через рекуператор 25 и охладитель 29. В рекуператоре 25 отработавшая рабочая текучая среда участвует в теплообмене с холодной средой под давлением, подаваемой с помощью насоса или компрессора 33, в результате чего остаточное тепло, содержащееся в отработавшей рабочей текучей среде, может быть рекуперировано. Отработавшая рабочая текучая среда, выходящая из рекуператора 25, дополнительно охлаждается и/или конденсируется в охладителе 29 в результате теплообмена с охлаждающей средой 31 и втягивается по линии 30 с помощью насоса или компрессора 33. Холодная рабочая текучая среда под давлением, доставляемая насосом или компрессором 33, протекает по линии 34, холодной стороне рекуператора 25 и возвращается по линии 36 в теплообменник 7 для рекуперации отходящего тепла, где рабочая текучая среда нагревается и испаряется за счет рекуперированного отходящего тепла.
По меньшей мере часть рабочей текучей среды в нижнем низкотемпературном термодинамическом контуре может находиться в сверхкритическом состоянии. В частности, на стороне высокого давления контура может присутствовать сверхкритическая двуокись углерода (CO2).
В обычных условиях установившегося режима байпасный клапан 23 может быть закрыт, в результате чего поток рабочей текучей среды расширяется последовательно через первый детандер 9 и второй детандер 11. При необходимости, в некоторых рабочих условиях часть или весь поток рабочей текучей среды может быть направлен через байпасную линию 21 и байпасный клапан 23. Это может иметь место, например, если сначала запускается энергетическая система 2, и при этом нет энергии, доступной для приведения в действие нагрузки 35, в результате чего для запуска работы насоса или сжатия рабочей текучей среды с помощью насоса или компрессора 33 используется весь перепад давления.
Для изменения промежуточного давления между первым детандером 9 и вторым детандером 11 может быть использован клапан 19 регулирования противодавления, с целью регулирования количества механической энергии, доступной на выходном валу 9А первого детандера 9 и на выходном приводном валу 11А второго детандера 11.
Фиг. 2 иллюстрирует еще один иллюстративный вариант выполнения энергетической системы, выполненной в соответствии с настоящим изобретением. Для обозначения одинаковых или аналогичных деталей или компонентов, изображенных на Фиг. 1, используются одинаковые номера позиций. Комбинированная система преобразования энергии, показанная на Фиг. 2, содержит верхнюю высокотемпературную термодинамическую систему 1 и нижнюю низкотемпературную термодинамическую систему 2. Верхняя высокотемпературная термодинамическая система может состоять из газотурбинного двигателя 3 и электрогенератора 5, приводимого в действие механической энергией, генерируемой газотурбинным двигателем 3А и доступной на его выходном приводном валу 3А.
Нижняя низкотемпературная система 2 содержит контур рабочей текучей среды со стороной 2А высокого давления и стороной 2В низкого давления, теплообменником 7 для рекуперации отходящего тепла, первым детандером 9 и вторым детандером 11, расположенными последовательно между стороной 2А высокого давления и стороной 2В низкого давления.
На Фиг. 2 первый детандер 9 соединен с выходом теплообменника 7 для рекуперации отходящего тепла через линию 13 и первый клапан 15. Линия 17 соединяет первый детандер 9 со вторым детандером 11, расположенным ниже по потоку. Клапан 19 регулирования противодавления может быть расположен на линии 17 между первым детандером 9 и вторым детандером 11. Байпасная линия 21 расположена параллельно первому детандеру 9. Байпасный клапан 23 может быть расположен вдоль байпасной линии 21.
Второй детандер 11 проточно соединен с горячей стороной рекуператора 25 тепла, выход которого проточно соединен с охладителем или конденсатором 29. Охладитель 29 участвует в теплообмене с охлаждающей текучей средой, например, с воздухом или водой, как схематично показано номером позиции 31, для удаления тепла из рабочей текучей среды, протекающей через охладитель 29.
Рабочая текучая среда, циркулирующая в контуре нижней низкотемпературной термодинамической системы 2, например, двуокись углерода, накачивается или сжимается от стороны 2В низкого давления к стороне 2А высокого давления с помощью насоса или компрессора 33. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 2, который отличается от варианта выполнения, показанного на Фиг. 1, насос или компрессор 33 соединен с возможностью передачи приводного усилия с выходным валом 11А второго детандера 11 таким образом, что механическая энергия, производимая расширением рабочей текучей среды во втором детандере 11, используется для вращения насоса или компрессора 33.
Нагрузка 35 может быть соединена с возможностью передачи приводного усилия с выходным приводным валом 9А первого детандера 9 и вращается посредством механической энергии, производимой расширением рабочей текучей среды в первом детандере 9. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 2, нагрузка 35 содержит электрогенератор 37, соединенный через частотно регулируемый привод 39 с сетью G распределения электроэнергии. Между выходным приводным валом 9А первого детандера 9 и электрогенератором 37 может быть расположен редуктор 41.
Система, изображенная на Фиг. 2, работает следующим образом. Отходящее тепло из верхней высокотемпературной термодинамической системы 1 передается под давлением через теплообменник 7 для рекуперации отходящего тепла в поток протекающей через него рабочей текучей среды, например, в поток диоксида углерода в сверхкритическом состоянии. Горячая рабочая текучая среда под давлением протекает по линии 13 и через клапан 15 и частично расширяется в первом детандере 9. Клапан 19 на линии 17 может быть отрегулирован таким образом, чтобы установить необходимое противодавление на выходе первого детандера 9, то есть промежуточное давление между первым детандером 9 и вторым детандером 11. За счет перепада давления рабочей текучей среды через первый, детандер 9 от первого давления до промежуточного давления производится механическая энергия, которая преобразуется в электрическую энергию с помощью генератора 37.
Частично расширенная рабочая текучая среда, выходящая из первого детандера 9, протекает через второй детандер 11 и расширяется от промежуточного давления до низкого давления на стороне низкого давления системы 2. За счет перепада давления производится механическая энергия, которая приводит в действие насос или компрессор 33.
Отработавшая рабочая текучая среда из второго детандера 11 протекает по линии 24 через рекуператор 25 и охладитель 29. В рекуператоре 25 отработавшая рабочая текучая среда участвует в теплообмене с холодной текучей средой под давлением, доставляемой насосом или компрессором 33, в результате чего остаточное тепло, содержащееся в отработавшей рабочей текучей среде, может быть рекуперировано. Отработавшая рабочая текучая среда, выходящая из рекуператора 25, дополнительно охлаждается и/или конденсируется в охладителе 29 в результате теплообмена с охлаждающей средой 31 и всасывается по линии 30 с помощью насоса или компрессора 33. Холодная рабочая текучая среда под давлением, доставляемая насосом или компрессором 33, протекает по линии 34, холодной стороне рекуператора 25 и возвращается по линии 36 в теплообменник 7 для рекуперации отходящего тепла, где рабочая текучая среда нагревается и испаряется с помощью рекуперированного отходящего тепла.
В обычных условиях установившегося режима байпасный клапан 23 может быть закрыт, в результате чего поток рабочей текучей среды расширяется последовательно через первый детандер 9 и второй детандер 11. При необходимости, часть потока рабочей текучей среды может быть направлена через байпасную линию 21 и байпасный клапан 23. Это может иметь место, например, если сначала запускается энергетическая система 2, и при этом нет энергии, доступной для приведения в действие нагрузки 35, в результате чего для запуска работы насоса или для сжатия рабочей текучей среды с помощью насоса или компрессора 33 используется весь перепад давления.
Клапан 19 регулирования противодавления может использоваться для регулирования промежуточного давления между первым детандером 9 и вторым детандером 11 для регулирования количества механической энергии, доступной на выходном приводном валу 9А первого детандера 9 и на выходном приводном валу 11А второго детандера 11.
Таким образом, получена особенно простая и имеющая высокий коэффициент полезного действия система преобразования энергии, которая, например, эффективно производит полезную механическую энергию из отходящего тепла. Приведение в действие насоса или компрессора непосредственно с помощью одного из детандеров сокращает этапы преобразования энергии и количество электрических машин в системе, повышая общий коэффициент полезного действия и снижая затраты.
Несмотря на то, что раскрытые варианты выполнения изобретения, описанные в настоящем документе, показаны на чертежах и полностью описаны обстоятельно и подробно выше вместе с несколькими иллюстративными вариантами выполнения, специалистам должно быть понятно, что возможны многие модификации, изменения и опущения без существенного отклонения от изобретательских идей, принципов и понятий, изложенных в настоящем документе, и преимуществ изобретения, изложенного в прилагаемой формуле изобретения. Следовательно, надлежащий объем раскрытых усовершенствований должен определяться только на основании самого широкого толкования прилагаемой формулы изобретения для осуществления всех таких модификаций, изменений и опущений. Кроме того, порядок или последовательность этапов любого процесса или способа могут быть изменены или повторно определены в соответствии с альтернативными вариантами выполнения.
1. Энергетическая система, содержащая:
контур рабочей текучей среды, имеющий сторону высокого давления и сторону низкого давления и выполненный с возможностью протекания по нему рабочей текучей среды,
нагреватель, выполненный с возможностью циркуляции рабочей текучей среды с возможностью теплообмена между ней и горячей текучей средой для испарения рабочей текучей среды,
последовательно расположенные первый детандер и второй детандер, проточно соединенные с контуром рабочей текучей среды, расположенные между его стороной высокого давления и его стороной низкого давления и выполненные с возможностью расширения проходящей через них рабочей текучей среды и производства механической энергии,
регулирующий клапан, расположенный в контуре рабочей текучей среды между первым детандером и вторым детандером и выполненный с возможностью регулирования промежуточного давления между первым детандером и вторым детандером,
приводной вал, соединенный с возможностью передачи приводного усилия с одним из указанных детандеров, первым или вторым, и выполненный с возможностью приведения в действие устройства с помощью механической энергии, производимой указанным детандером,
насос или компрессор, проточно соединенный с контуром рабочей текучей среды между его стороной низкого давления и его стороной высокого давления, выполненный с возможностью повышения давления рабочей текучей среды в контуре рабочей текучей среды и соединенный с возможностью передачи приводного усилия с другим из указанных детандеров, вторым или первым, и приведения тем самым в действие,
охладитель, установленный и выполненный с возможностью отведения тепла от рабочей текучей среды на стороне низкого давления контура рабочей текучей среды.
2. Система по п.1, в которой указанное устройство, соединенное с приводным валом с возможностью передачи приводного усилия, представляет собой электрогенератор, выполненный с возможностью преобразования механической энергии, создаваемой детандером, с которым соединен приводной вал, в электрическую энергию.
3. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой первый детандер и второй детандер выполнены и расположены таким образом, что массовый поток рабочей текучей среды, протекающей через первый детандер, протекает также и через второй детандер.
4. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой по меньшей мере один из указанных двух детандеров имеет байпасный клапан, выполненный и управляемый с возможностью обхода указанного детандера по меньшей мере частью рабочей текучей среды, циркулирующей в системе с рабочей текучей средой.
5. Система по п.4, в которой байпасный клапан расположен параллельно указанному одному из двух детандеров, соединенному с приводным валом с возможностью передачи приводного усилия.
6. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой первый детандер расположен между теплообменником и вторым детандером, а второй детандер расположен между первым детандером и охладителем, причем приводной вал соединен со вторым детандером с возможностью передачи приводного усилия.
7. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой первый детандер расположен между теплообменником и вторым детандером, а второй детандер расположен между первым детандером и охладителем, причем приводной вал соединен с первым детандером с возможностью передачи приводного усилия.
8. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой рабочая текучая среда содержит двуокись углерода, причем по меньшей мере часть контура рабочей текучей среды содержит двуокись углерода в сверхкритическом состоянии.
9. Способ производства полезной энергии из тепла, обеспечиваемого источником тепла, включающий следующие этапы:
обеспечение циркуляции потока рабочей текучей среды посредством насоса или компрессора в контуре с рабочей текучей средой, имеющем сторону высокого давления и сторону низкого давления, причем сторона высокого давления участвует в теплообмене с источником тепла, а сторона низкого давления участвует в теплообмене с охладителем,
передачу тепловой энергии от источника тепла рабочей текучей среде,
расширение потока рабочей текучей среды через первый детандер от высокого давления до промежуточного давления и преобразование первого перепада давления в механическую энергию, и расширение потока рабочей текучей среды через второй детандер от промежуточного давления до низкого давления, преобразование второго перепада давления в механическую энергию, причем первый детандер и второй детандер расположены последовательно относительно друг друга и проточно соединены с контуром рабочей текучей среды между стороной высокого давления и стороной низкого давления,
отведение остаточного низкотемпературного тепла от потока рабочей текучей среды через охладитель,
приведение в действие приводимого в действие устройства посредством механической энергии, производимой одним из указанных детандеров, первым или вторым, и приведение в действие насоса или компрессора посредством механической энергии, производимой другим из указанных детандеров, вторым или первым, и
регулирование промежуточного давления между первым детандером и вторым детандером с помощью регулирующего клапана, расположенного в контуре рабочей текучей среды между первым детандером и вторым детандером, для регулирования перепада давления в первом детандере и перепада давления во втором детандере.
10. Способ по п.9, в котором указанное приводимое в действие устройство соединено с первым детандером, при этом насос или компрессор соединен с возможностью передачи приводного усилия со вторым детандером.
11. Способ по п.9, в котором указанное приводимое в действие устройство соединено со вторым детандером, при этом насос или компрессор соединено с возможностью передачи приводного усилия с первым детандером.
12. Способ по любому из пп.9-11, в котором указанное приводимое в действие устройство представляет собой электрогенератор, при этом в способе преобразуют механическую энергию, производимую детандером, соединенным с возможностью передачи приводного усилия с электрогенератором, в электрическую энергию, с помощью указанного электрогенератора.
